Cis-regulatory elements (CREs) interact with trans regulators to orchestrate gene expression, but how transcriptional regulation is coordinated in multi-gene loci has not been experimentally defined. We sought to characterize the CREs controlling dynamic expression of the adjacent costimulatory genes CD28, CTLA4 and ICOS, encoding regulators of T cell-mediated immunity. Tiling CRISPR interference (CRISPRi) screens in primary human T cells, both conventional and regulatory subsets, uncovered gene-, cell subset- and stimulation-specific CREs. Integration with CRISPR knockout screens and assay for transposase-accessible chromatin with sequencing (ATAC-seq) profiling identified trans regulators influencing chromatin states at specific CRISPRi-responsive elements to control costimulatory gene expression. We then discovered a critical CCCTC-binding factor (CTCF) boundary that reinforces CRE interaction with CTLA4 while also preventing promiscuous activation of CD28. By systematically mapping CREs and associated trans regulators directly in primary human T cell subsets, this work overcomes longstanding experimental limitations to decode context-dependent gene regulatory programs in a complex, multi-gene locus critical to immune homeostasis.

Enhancers possess both structural elements mediating promoter looping and functional elements mediating gene expression. Traditional models of enhancer-mediated gene regulation imply genomic overlap or immediate adjacency of these elements. We test this model by combining densely-tiled CRISPRa screening with nucleosome-resolution Region Capture Micro-C topology analysis. Using this integrated approach, we comprehensively define the cis-regulatory landscape for the tumor suppressor PTEN, identifying and validating 10 distinct enhancers and defining their 3D spatial organization. Unexpectedly, we identify several long-range functional enhancers whose promoter proximity is facilitated by chromatin loop anchors several kilobases away, and demonstrate that accounting for this spatial separation improves the computational prediction of validated enhancers. Thus, we propose a new model of enhancer organization incorporating spatial separation of essential functional and structural components.